Neue Form von Eis während Experiment unerwartet entdeckt

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Die Forschung zeigt, wie viel Wissenschaftler noch über ein so einfaches Molekül wie Wasser lernen müssen.

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Von Kenneth Chang

Geschüttelt und gekühlt – aber nicht gerührt – verwandelt sich gewöhnliches gefrorenes Wasser in etwas anderes: eine neu entdeckte Form von Eis, das aus einem Durcheinander von Molekülen mit einzigartigen Eigenschaften besteht.

„Das ist völlig unerwartet und sehr überraschend“, sagte Christoph Salzmann, Chemieprofessor am University College London in England und Autor eines am Donnerstag in der Zeitschrift Science veröffentlichten Artikels, in dem das Eis beschrieben wurde.

Wasser ist ein einfaches Molekül, das von Wissenschaftlern seit Jahrhunderten intensiv untersucht wird: zwei Wasserstoffatome, die in einem Winkel von 104,5 Grad V-förmig von einem zentralen Sauerstoffatom abstehen.

Die neue Entdeckung zeigt einmal mehr, dass Wasser, ein Molekül, ohne das Leben nachweislich nicht existieren kann, immer noch wissenschaftliche Überraschungen birgt, die noch enthüllt werden müssen. Bei diesem Experiment wurden relativ einfache, kostengünstige Geräte eingesetzt, um eine Form von Eis aufzudecken, die anderswo im Sonnensystem und im gesamten Universum existieren könnte.

Im täglichen Leben begegnen wir drei Formen von Wasser: einem dampfförmigen Gas wie Wasserdampf, fließendem flüssigem Wasser und hartem, rutschigem Eis. Das Eis unseres Alltags besteht aus in einem sechseckigen Muster aufgereihten Wassermolekülen, und diese sechseckigen Gitter sind sauber übereinander gestapelt. Die sechseckige Struktur ist nicht dicht gepackt, weshalb Eis eine geringere Dichte als flüssiges Wasser hat und schwimmt.

Durch Veränderungen der Temperatur und des Drucks, die außerhalb der auf der Erde üblichen Verhältnisse liegen, können Wassermoleküle in andere Kristallstrukturen gedrückt werden. Wissenschaftler kennen mittlerweile 20 kristalline Formen von Wasser. Die 20. Eisform wurde letztes Jahr entdeckt.

Darüber hinaus haben Forscher auch zwei Arten von Eis mit durcheinandergebrachten Molekülen dokumentiert, die sie als amorphe Materialien bezeichnen. Da eines der amorphen Eisarten dichter als Wasser ist, wird es als amorphes Eis hoher Dichte bezeichnet. das andere, dessen Dichte geringer ist als die von Wasser, ist amorphes Eis geringer Dichte. Amorphes Eis kommt auf der Erde nicht vor, könnte aber im Weltraum, in Kometen, interstellaren Wolken und eisigen Welten wie Europa, einem Mond des Jupiter, vorkommen.

Es gibt sogar eine Art Wasser, das sowohl flüssig als auch fest ist. Im Jahr 2018 kündigten Wissenschaftler die Entstehung von „superionischem Wasser“ an, das gleichzeitig fest und flüssig ist.

Dr. Salzmann und seine Kollegen wollten den Katalog der Wassereissorten nicht erweitern. Stattdessen wollten sie sehr kleine Eiskristalle untersuchen, da winzige Teile von etwas manchmal ganz andere Eigenschaften haben als größere Teile desselben Stoffes.

Also begann Alexander Rosu-Finsen, Postdoktorand in Dr. Salzmanns Forschungsgruppe und Hauptautor des Science-Artikels, Eis zu zerschlagen. Das Wassereis wurde zunächst in flüssigem Stickstoff auf minus 320 Grad Fahrenheit abgekühlt und dann zusammen mit Stahlkugeln in einen Behälter gegeben. Dann schüttelte eine Maschine das Eis und die Stahlkugeln, die immer noch auf ultrakalte Temperaturen gekühlt waren, 20 Mal pro Sekunde hin und her und pulverisierte das Eis in winzige Stücke, ein Vorgang, der als Kugelmahlen bekannt ist.

Betrachten Sie es als einen High-Tech-Cocktailshaker.

Dann öffnete Dr. Rosu-Finsen den Behälter.

„Und siehe da, etwas völlig Unerwartetes ist passiert“, sagte Dr. Rosu-Finsen, die jetzt Mitherausgeberin der Zeitschrift Nature Reviews Chemistry ist.

Das weiße Material im Inneren sah so aus, wie man es von zerschmettertem Eis erwarten würde, aber es hatte sich verändert.

Das Material war nun dichter und ein Großteil der kristallinen Struktur war zerstört, wodurch ein amorphes Material entstand. Die Dichte entsprach jedoch nicht den bereits bekannten amorphen Eissorten hoher und niedriger Dichte. Interessanterweise lag es dazwischen; tatsächlich hatte es fast genau die gleiche Dichte wie flüssiges Wasser. Bisher waren alle festen Formen von Eis, ob kristallin oder amorph, entweder deutlich dichter oder weniger dicht als flüssiges Wasser.

Die Forscher nannten es mitteldichtes amorphes Eis, kurz MDA.

Durch das Aufprallen der Stahlkugeln wurde eine Scherkraft auf die Eiskristalle ausgeübt, die ausreichte, um die Wassermoleküle aus ihren Kristallpositionen zu stoßen und so eine engere Packung zu ermöglichen.

„Es ist wirklich cool“, sagte Marius Millot, ein Physiker am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien, der das Experiment zur Erzeugung von superionischem Wasser leitete. „Es zeigt uns, dass es immer noch viele Dinge gibt, die wir nicht verstehen.“

Dass amorphes Eis mittlerer Dichte fast die gleiche Dichte wie flüssiges Wasser hat, lässt vermuten, dass es sich tatsächlich um ein Glas handelt, eine flüssige Kakophonie aus Molekülen, die fließen, bis sie abkühlen, langsamer werden und mit der Zeit gefrieren, ohne zu kristallisieren, immer noch ungeordnet.

„Das ist die entscheidende Frage“, sagte Dr. Salzmann. „Ist MDA das Glas mit flüssigem Wasser?“

Folgeexperimente könnten dem Eis Verunreinigungen hinzufügen. „Wir haben die Experimente mit reinem Eis durchgeführt“, sagte Dr. Salzmann. „Die nächste Frage ist: Was passiert, wenn wir anfangen, andere Dinge einzumischen?“

Die Erkenntnisse könnten für Planetenforscher von Nutzen sein. Die Temperaturen liegen innerhalb der auf Europa herrschenden Temperaturen und Jupiter übt enorme Gezeitenkräfte auf den eisigen Ozeanmond aus, der von der NASA und europäischen Orbitern genau besucht und untersucht wird.

„Man erhält genau die gleiche Art von Scherbewegung“, sagte Dr. Salzmann. „Die Spekulation geht nun davon aus, dass es im äußeren Sonnensystem etwas MDA geben könnte.“

Die Forscher fanden außerdem eine Eigenschaft von MDA, die unter Wassereis einzigartig ist. Wenn man die meisten Materialien zusammendrückt und dann den Druck ablässt, kehrt sie einfach wieder in den ursprünglichen Zustand zurück. Aber das Komprimieren von MDA und das anschließende Entspannen des Drucks und Erhitzen setzte einen großen Energiestoß frei.

Diese Energie, die beim Rekristallisieren des amorphen Eises freigesetzt wird, könnte beispielsweise Eisbeben auslösen.

Das bedeutet, dass die Physik des neuen Eises möglicherweise eine Rolle bei der Formung der Eiskruste Europas und der Dynamik des Eises weiter unten im Ozean des Mondes spielen könnte, mit Auswirkungen darauf, ob dort lebensfreundliche Bedingungen herrschen könnten.

In einer früheren Version dieses Artikels wurde der Winkel zwischen den Wasserstoff-Sauerstoff-Bindungen in einem Wassermolekül falsch angegeben. Es sind 104,5 Grad, nicht 120.

Wie wir mit Korrekturen umgehen

Kenneth Chang ist seit 2000 bei The Times und schreibt über Physik, Geologie, Chemie und die Planeten. Bevor er Wissenschaftsjournalist wurde, war er ein Doktorand, dessen Forschung sich mit der Kontrolle des Chaos befasste. @kchangnyt

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